郭初陽，廖發(fā)海，陳 哲，鄒浩彥

(中國人民解放軍駐西安飛機(jī)工業(yè)公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

近幾年，鈦合金材料借助其優(yōu)越的物理化學(xué)性能在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了大量的推廣和應(yīng)用，特別是在航空制造業(yè)，鈦合金材料以其強(qiáng)度高、質(zhì)量小的優(yōu)勢正逐步替代傳統(tǒng)航空工業(yè)材料。從發(fā)展趨勢來看，鈦合金制品將在諸多制造領(lǐng)域進(jìn)一步得以利用。超音速火焰噴涂碳化鎢工藝可以使鈦合金零件表面具有耐磨損、抗腐蝕、耐高溫、抗氧化和自潤滑等功能，從而提高鈦合金零件的質(zhì)量和可靠性，達(dá)到延長零件使用壽命的目的。然而，由于鈦合金零件在進(jìn)行超音速火焰噴涂碳化鎢工藝過程中條件要求比較高，因而應(yīng)對材料、設(shè)備、工藝、環(huán)境、質(zhì)量和人員等方面進(jìn)行控制[1-2]。

1 材料控制

為預(yù)防零件缺陷，鈦合金材料必須進(jìn)行入廠檢驗，以確保材料符合要求。主要檢查內(nèi)容包括材料標(biāo)識、合格證、試驗情況、規(guī)格、數(shù)量、毛坯件全尺寸和機(jī)械性能等。

在鈦合金零件表面超音速火焰噴涂碳化鎢過程中，需要使用的材料見表1。

表1 超音速火焰噴涂碳化鎢工藝材料

2 設(shè)備控制

超音速火焰噴涂碳化鎢工藝所用的噴槍必須安裝在自動行走機(jī)構(gòu)上，并能夠準(zhǔn)確控制噴槍與噴涂表面的角度、距離以及相對移動速度。工藝實(shí)施過程中所用的減壓閥、流量計、壓力表、送粉器和溫度測量儀應(yīng)進(jìn)行定期校驗。應(yīng)使用在線溫度測量儀和速度監(jiān)控裝置，以準(zhǔn)確控制噴涂時的火焰流溫度和速度，保證涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性。涂層厚度測量儀的精度應(yīng)保證厚度測定值與實(shí)際厚度之差在±10%以內(nèi)。噴涂設(shè)備應(yīng)按照設(shè)備制造商的要求定期檢查維護(hù)。

3 工藝控制

3.1 一般要求

噴涂批生產(chǎn)零件前應(yīng)編制詳細(xì)的工藝文件，并經(jīng)過識別和鑒定。工藝文件中應(yīng)包括的主要內(nèi)容見表2，以確保涂層質(zhì)量符合要求，穩(wěn)定一致。鑒定后的工藝文件中所要求的工藝參數(shù)不能輕易更改，若需更改，必須重新進(jìn)行鑒定。

表2 工藝文件應(yīng)包含的主要內(nèi)容

零件應(yīng)在完成所有的成型和熱處理操作并清洗后48 h內(nèi)，開始噴涂操作。不允許采用吹砂的方式對零件進(jìn)行清理。噴涂前應(yīng)用薄鐵皮或其他合適的材料對與噴涂區(qū)相鄰的區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。對于外形尺寸>500 mm的零件，噴涂前應(yīng)對待噴涂表面進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的最高溫度為65.5 ℃。

噴涂期間應(yīng)采用熱電偶監(jiān)測零件的基體溫度，對旋轉(zhuǎn)零件進(jìn)行噴涂時，可以采用紅外線測量基體或涂層溫度代替熱電偶監(jiān)測零件的基體溫度，并在噴涂操作間歇和噴涂周期結(jié)束時進(jìn)行溫度監(jiān)測，零件基體的最高溫度應(yīng)≤176 ℃。當(dāng)噴涂區(qū)域的最大尺寸<500 mm時應(yīng)選取3個測溫點(diǎn)，最大尺寸為500～800 mm時應(yīng)選取4個測溫點(diǎn)，最大尺寸>800 mm時選取的測溫點(diǎn)應(yīng)>4個，并且均勻分布。

噴涂操作可定時間歇，以使零件降溫，并用來檢查涂層厚度尺寸，每次中斷應(yīng)≤10 min。在噴涂操作期間或間歇期間，可以采用吹氮?dú)?、氬氣或壓縮空氣的方法來加速降溫。

噴槍槍口與零件表面之間的距離應(yīng)恒定地控制在規(guī)定參數(shù)的±6.3 mm范圍內(nèi)。噴槍火焰流中心線與零件表面之間的角度應(yīng)盡可能接近90°。噴涂范圍的尺寸公差應(yīng)為±3 mm。若噴槍噴涂到不允許存在涂層區(qū)域，則應(yīng)通過噴玻璃丸的方法去除。使用丙酮或丁酮去除零件表面的殘余煙塵或其他殘余物，應(yīng)戴上白棉手套搬運(yùn)已清理的表面，并用中性包裝紙進(jìn)行覆蓋或保護(hù)，直至準(zhǔn)備開始噴涂。

3.2 工藝流程

超音速火焰噴涂碳化鎢工藝流程如下：表面清理→裝夾保護(hù)→噴涂→涂油。

1)表面清理。對于經(jīng)過噴丸的零件，在噴涂前應(yīng)進(jìn)行鈍化處理；對于不噴丸的零件，在噴涂前應(yīng)進(jìn)行酸洗。

2)裝夾保護(hù)。將經(jīng)過清理的零件牢固地安裝在噴涂工作臺上，確保在噴涂過程中相對位置不會發(fā)生變化。裝夾應(yīng)合理，確保焰流能按要求的角度和距離到達(dá)要噴涂的表面，對不需要涂層的零件表面進(jìn)行保護(hù)。

3)噴涂。按經(jīng)過鑒定的工藝文件要求參數(shù)進(jìn)行噴涂，每次噴槍點(diǎn)火時，按需要使用氫氣作為燃料氣體。

4)涂油。對已噴涂零件涂敷緩蝕性滲透油進(jìn)行保護(hù)，將零件在緩蝕性滲透油中浸漬至少5 min，以確保完全滲透，或在涂層上刷涂緩蝕性滲透油使油液保持至少5 min，用清潔的棉布擦去多余油液，使零件在通風(fēng)良好的區(qū)域干燥至少1 h。應(yīng)盡可能在剛完成噴涂的涂層上涂敷緩蝕性滲透油。如果涂層經(jīng)過了機(jī)加或研磨，則應(yīng)重新涂敷緩蝕性滲透油。

用于質(zhì)量控制的試樣應(yīng)采用與零件相同的要求進(jìn)行處理，包括噴丸、表面清理和噴涂等。對于彎曲試樣可以僅采用鈍化處理作為噴涂前的表面清理方式，但彎曲試驗后應(yīng)用10倍放大鏡檢查彎曲處的涂層。連續(xù)噴涂時，應(yīng)在生產(chǎn)前進(jìn)行一次所有質(zhì)量控制試驗；非連續(xù)噴涂時，應(yīng)在每次生產(chǎn)前進(jìn)行一次所有質(zhì)量控制試驗。噴涂質(zhì)量控制試驗所用的試樣時，噴槍與噴涂表面之間的角度應(yīng)采用生產(chǎn)零件時需要使用的最小角度，其他工藝參數(shù)按工藝文件要求執(zhí)行。

4 環(huán)境控制

噴涂系統(tǒng)應(yīng)安放在通風(fēng)良好的隔音室內(nèi)，設(shè)備控制系統(tǒng)集中安排在獨(dú)立房間內(nèi)，并注意對設(shè)備及時降溫。

用于產(chǎn)品檢驗的場地應(yīng)與生產(chǎn)場地隔離開，防止成品、在制品、拒收品發(fā)生混淆，場地應(yīng)干凈、整潔，避免產(chǎn)品在檢驗過程中遭受污染。

應(yīng)配備檢驗平臺，平臺上應(yīng)襯有軟墊，且軟墊必須保持清潔。檢驗平臺上應(yīng)有足夠的照明設(shè)備，無論采用天然散射光或無反射光的白色透射光，光照強(qiáng)度≥300 lx。如果采用日光燈照明，只要40 W日光燈距檢驗臺面在500 mm范圍內(nèi)，則滿足要求。

5 質(zhì)量控制

5.1 外觀要求

碳化鎢涂層表面應(yīng)均勻、連續(xù)，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡和可見的裂紋，涂層邊緣應(yīng)無開裂現(xiàn)象。噴涂后，零件表面粗糙度應(yīng)符合工程圖樣的規(guī)定，當(dāng)工程圖樣沒有規(guī)定時，表面粗糙度應(yīng)為Ra3.8 μm或更高等級。零件表面粗糙度應(yīng)在所有的表面精飾操作完成之后測量。

5.2 厚度要求

碳化鎢涂層厚度應(yīng)符合工程圖樣的數(shù)值要求。

5.3 返修要求

對于不合格的零件，應(yīng)退除涂層，在查明原因、有效處置后可以重新進(jìn)行噴涂。對于經(jīng)過噴丸的零件，只允許返修一次。

5.4 金相檢驗

準(zhǔn)備2塊試片(見圖1)，試片材料為TC4(或Ti-6AL-4V)，在一側(cè)噴涂200～250 μm厚的涂層，表面粗糙度應(yīng)為Ra3.8 μm或更高等級。目視或放大10倍檢查噴涂后的試片表面，涂層應(yīng)符合下列要求：1) 涂層與基體金屬接合良好，涂層邊緣不應(yīng)出現(xiàn)分離；2) 涂層表面應(yīng)是均勻、連續(xù)表面，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡和可見的裂紋。

圖1 金相檢查試片

截取金相試片(見圖2)，使得切割工具先通過涂層以使涂層產(chǎn)生的損傷最小。將距離端頭至少25 mm處的截面作為金相檢查面，固定試樣截面，并進(jìn)行金相拋光，然后檢查涂層。

圖2 試片截取方式

涂層應(yīng)符合表3的要求。其中，硬度是根據(jù)ASTM E384確定的最少10個代表性讀數(shù)計算的最小平均硬度值，氧化物和外來顆粒是所觀察區(qū)域面積上的最大允許百分比，孔隙是在顯微鏡下放大200倍至500倍觀察時總面積上允許的最大百分比，殘留碳化物是所觀察區(qū)域面積上的百分比，結(jié)合面粗砂是所觀察區(qū)域面積上允許的最大百分比，界面分離和裂紋是放大200倍至500倍時觀察。

表3 涂層金相檢查的要求

5.5 接合強(qiáng)度試驗

準(zhǔn)備5根試棒，材料為TC4(或Ti-6AL-4V)，直徑為25 mm的棒料，噴涂之前按圖3對試棒側(cè)面進(jìn)行保護(hù)。已噴涂的試棒應(yīng)與5個不噴涂的試棒粘接，不噴涂的試棒可以用任何合適的材料制造。采用環(huán)氧膠粘劑進(jìn)行膠粘，接觸面連接時應(yīng)將試棒對接直，溢出的膠粘劑用丙酮或丁酮去除，膠粘劑在(176.7±5.5) ℃固化至少1 h，多余的膠粘劑在固化后用240粒度的氧化鋁砂紙打磨去除。膠接的試棒應(yīng)進(jìn)行拉伸試驗至拉斷，試驗夾具的中線應(yīng)與試棒的中線一致，滑塊加載速度應(yīng)為1.27 mm/min，每個試棒的接合強(qiáng)度應(yīng)>68.9 MPa。如果因接合面上環(huán)氧樹脂膠粘劑導(dǎo)致接合強(qiáng)度不能滿足最低要求，則應(yīng)對相同的試棒進(jìn)行重新試驗。

圖3 接合強(qiáng)度試樣的準(zhǔn)備

5.6 彎曲試驗

準(zhǔn)備2組試樣(見圖4)，試樣材料為TC4(或Ti-6AL-4V)。按圖5所示進(jìn)行彎曲試驗，試樣應(yīng)繞著直徑為12～13 mm的圓柱進(jìn)行彎曲，彎曲速率約為4°/s，使回彈后達(dá)到90°±5°。彎曲后，目視檢查涂層，涂層不應(yīng)與基體分離且不應(yīng)在涂層間分離，涂層出現(xiàn)裂紋視為不合格。

圖4 彎曲試樣示意圖

圖5 彎曲試驗示意圖

6 人員控制

鈦合金零件超音速火焰噴涂碳化鎢工藝使用的部分材料具有毒性或腐蝕性，操作人員和檢驗人員應(yīng)經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)并持有操作證和培訓(xùn)證明。操作時，人員必須配備防護(hù)用具，操作者必須嚴(yán)格按照經(jīng)鑒定的工藝文件要求進(jìn)行操作，并在相關(guān)記錄卡上認(rèn)真做好原始記錄。檢驗人員負(fù)責(zé)生產(chǎn)現(xiàn)場的巡回檢查，保證工藝文件的正確執(zhí)行，并在原始記錄上加蓋檢驗印章。